linux中断编程
本文档只介绍中断编程所需的函数及应用，中断完整处理流程应参考文档《linux中断处理流程》。
本文档基于3.14内核。
0. 基础
中断取代了轮询的通知方式，DMA取代了轮询的读写数据方式。
中断分类
软件指令造成的中断（又叫异常，同步中断）。 svc, und, abt
硬件通过中断请求信号造成的中断（异步中断）。 irq,fiq
向量中断和非向量中断
采用向量中断的CPU通常为不同的中断分配不同的中断号，当检测到某中断号的中断到来后，就自动跳转到与该中断号对应的地址执行。不同中断号的中断有不同的入口地址。非向量中断的多个中断共享一个入口地址，进入该入口地址后再通过软件判断中断标志来识别具体是哪个中断。
向量中断由硬件提供中断服务程序的入口地址，非向量中断由软件提供向量中断服务程序入口地址。
中断的特点
1）中断随机的。
2）中断是可恢复的。
3）中断是自动进行处理的。
中断硬件
在ARM多核处理器中最常用的中断控制器是GIC，如I.MX6U(Cortex-A)的中断控制器为GIC。
I.MX6U 是 Cortex-A 内核的，GIC V2。GIC V2 最多支持 8 个核。ARM 会根据 GIC 版本的不同研发出不同的 IP 核,那些半导体厂商直接购买对应的 IP 核即可,比如 ARM 针对 GIC V2 就开发出了 GIC400 这个中断控制器 IP 核。当 GIC 接收到外部中断信号以后就会报给 ARM 内核,但是ARM 内核只提供了四个信号给 GIC 来汇报中断情况:VFIQ、VIRQ、FIQ 和 IRQ。VFIQ和VIRQ是针对虚拟化的。
一般情况下只关注IRQ，相当于GIC最终向ARM内核就上报一个IRQ信号。
GIC 将众多的中断源分为分为三类:
1）SPI(Shared Peripheral Interrupt)，共享中断。顾名思义,所有 Core 共享的中断,这个是最常见的,那些外部中断都属于 SPI 中断(注意!不是 SPI 总线那个中断) 。比如按键中断、串口中断等等,这些中断所有的 Core 都可以处理，不限定特定 Core。
2）PPI(Private Peripheral Interrupt)，私有中断。GIC 是支持多核的,每个核有自己独有的中断。这些独有的中断肯定是要指定的核心处理,因此这些中断就叫做私有中断。
3）SGI(Software-generated Interrupt)，软件中断。由软件触发引起的中断，通过向寄存器GICD_SGIR 写入数据来触发,系统会使用 SGI 中断来完成多核之间的通信。
每一个CPU最多支持1020个中断ID，中断ID号为ID0~ID1019。ID0~ID15，SGI；ID16~ID31，PPI；ID32~ID1019，988个，SPI，像GPIO中断、串口中断等外部中断，中断对应的ID由半导体厂商定义。
I.MX6U总共使用了128个SPI中断，加上PPI和SGI的32个，共计160个。
GIC 架构分为了两个逻辑块: Distributor 和 CPU Interface,也就是分发器端和 CPU 接口端。
Distributor(分发器端)：此逻辑块负责处理各个中断事件的分发问题,也就是中断事件应该发送到哪个 CPU Interface 上去。分发器收集所有的中断源,可以控制每个中断的优先级,它总是将优先级最高的中断事件发送到 CPU 接口端。GIC 的分发器端相对于 GIC 基地址偏移为 0X1000。
CPU Interface(CPU 接口端):CPU 接口端听名字就知道是和 CPU Core 相连接的,因此在每个 CPU Core 都可以在 GIC 中找到一个与之对应的 CPU Interface。CPU 接口端就是分发器和 CPU Core 之间的桥梁。CPU 接口端相关寄存器,其相对于 GIC 基地址的偏移为 0X2000。
GIC控制器的寄存机基地址通过CP15获取。CP15 协处理器通过 c0 寄存器可以获取到处理器内核信息;通过 c1 寄存器可以使能或禁止 MMU、I/D Cache 等;通过 c12 寄存器可以设置中断向量偏移;通过 c15 寄存器可以获取 GIC 基地址。
中断使能包括两部分,一个是 IRQ 或者 FIQ 总中断使能,另一个就是 ID0~ID1019 这 1020个中断源的使能。使用 I.MX6U 上的外设中断就必须先打开 IRQ 中断。寄存器 CPSR 的 I=1 禁止 IRQ,当 I=0 使能 IRQ;F=1 禁止 FIQ,F=0 使能 FIQ。
GIC 寄存器 GICD_ISENABLERn 和 GICD_ ICENABLERn 用来完成外部中断的使能和禁止,对于 Cortex-A7 内核来说中断 ID 只使用了 512 个。一个 bit 控制一个中断 ID 的使能,那么就需要 512/32=16 个 GICD_ISENABLER 寄存器来完成中断的使能。同理,也需要 16 个GICD_ICENABLER 寄存器来完成中断的禁止。其中 GICD_ISENABLER0 的 bit[15:0]对应ID15~0 的 SGI 中断,GICD_ISENABLER0 的 bit[31:16]对应 ID31~16 的 PPI 中断。剩下的GICD_ISENABLER1~GICD_ISENABLER15 就是控制 SPI 中断的。
Cortex-A7 最多可以支持 256 个优先级,数字越小,优先级越高!半导体厂商自行决定选择多少个优先级。I.MX6U 选择了 32 个优先级。在使用中断的时候需要初始化 GICC_PMR 寄存器,此寄存器用来决定使用几级优先级。
linux中断分为顶半部和底半部两部分
中断处理函数以共享方式注册时，要设置设备id，否则设备注册不成功。独享方式时，设备id为NULL。
共享中断返回IRQ_NONE, IRQ_HANDLED.
do_irq()(x86) <====> asm_do_irq() (arm)
中断顶半部函数，禁止中断，不可嵌套（通过request_irq()申请）
中断处理函数是被硬件请求执行的内核代码，所以它属于中断上下文。在中断上下文中绝对不允许出现睡眠或者可能睡眠的代码，否则会死机。
睡眠代码：ssleep(), msleep()。 可能造成睡眠的代码： kmalloc(2048, GFP_KERNEL); //内存不足时可能睡眠，不能用于中断中。 kmalloc(2048, GFP_ATOMIC); //内存不足时不睡眠，直接返回错误码，可以用在中断中。 copy_to_user(),copy_from_user(); //可能睡眠，不允许用在中断中。
一. 申请和释放中断
一般在设备驱动模块的初始化中申请中断，在模块卸载函数中释放中断。
// linux/irqreturn.h /** * enum irqreturn * @IRQ_NONE interrupt was not from this device * @IRQ_HANDLED interrupt was handled by this device * @IRQ_WAKE_THREAD handler requests to wake the handler thread */ enum irqreturn { IRQ_NONE = (0 << 0), IRQ_HANDLED = (1 << 0), IRQ_WAKE_THREAD = (1 << 1), }; typedef enum irqreturn irqreturn_t;
typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int irq, void *dev_id);
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags, const char *name, void *dev_id);
irq要申请的硬件中断号。
handler是向系统登记的中断处理函数（顶半部），是一个回调函数，中断发生后，系统调用这个函数，dev_id参数将传递给handler。dev_id为void *指针，需要与request_irq函数的dev参数保持一致，可以指向设备数据结构。
irqflags是中断处理的属性，可以指定中断的触发方式以及处理方式。在触发方式方面，可以是IRQF_TRIGGER_RISING、IRQF_TRIGGER_FALLING、IRQF_TRIGGER_HIGH、IRQF_TRIGGER_LOW等。在处理方式方面，若设置了IRQF_DISABLED，表明中断处理程序是快速处理程序，快速处理程序被调用时屏蔽所有中断，慢速处理程序调用时不会屏蔽其他设备的驱动（4.1.15内核已经删除IRQF_DISABLED）。若设置了IRQF_SHARED，则表示多个设备共享中断，dev_id在中断共享时会用到，一般设置为这个设备的结构体或者NULL。
name是中断名，在/proc/interrupts中显示。
返回值0表示成功，返回-EINVAL表示中断号无效或处理函数指针为NULL，返回-EBUSY表示中断已经被占用且不能共享。
void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);
二. 使能和屏蔽中断
1. 屏蔽一个中断源irq
extern void disable_irq_nosync(unsigned int irq); extern void disable_irq(unsigned int irq); extern void disable_percpu_irq(unsigned int irq); extern void enable_irq(unsigned int irq); extern void enable_percpu_irq(unsigned int irq, unsigned int type);
disable_irq_nosync()与disable_irq()的区别在于前者立即返回，而后者等待目前的中断处理完成。由于disable_irq()会等待指定的中断被处理完，因此如果在n号中断的顶半部调用disable_irq(n)，会引起系统的死锁，在这种情况下只能调用disable_irq_nosync(n)。
2. 屏蔽本CPU上所有中断
#define local_irq_enable() #define local_irq_disable() #define local_irq_save(flags) #define local_irq_restore(flags)
flags为unsigned long类型，被直接传递，而不是通过指针。
local_irq_save(flags);可以保存当前中断状态，完成后使用local_irq_restore(flags);返回原来中断状态，防止直接使用local_irq_enable()开启所有中断，使其他任务从中断中恢复，产生意外甚至崩溃。
3. 中断底半部的屏蔽使能
void local_bh_disable(void); void local_bh_enable(void);
禁止和使能软中断和tasklet底半部机制的函数。
三. 中断底半部
中断底半部机制有三种，软中断、tasklet（小任务）和workqueue（工作队列）。一般不推荐使用软中断。
一般中断处理过程分为两部分：
顶半部：就是中断处理函数，短时间能完成的操作可以放在顶半部。
底半部：把比较耗时的代码提出来，放到底半部执行。
一些参考：
1）如果要处理的内容不希望被其他中断打断,那么可以放到上半部。
2）如果要处理的任务对时间敏感，可以放到上半部。
3）如果要处理的任务与硬件有关，可以放到上半部。
4）除了上述三点以外的其他任务，优先考虑放到下半部。
3.1 软中断
软中断的执行时机通常是顶半部返回的时候，tasklet是基于软中断实现的，因此也运行于软中断上下文。
在linux内核中，用softirq_action结构体表征一个软中断，这个结构体包含软中断处理函数指针和传递给该函数的参数。使用open_softirq()函数可以注册软中断对应的处理函数，而raise_softirq()函数可以触发一个软中断。
local_bh_disable()和local_bh_enable()是内核中用于禁止和使能软中断及tasklet底半部机制的函数。
本文档描述基于3.14.77内核。
softirq定义在linux/interrupt.h中，实现在kernel/softirq.c中。tasklet是基于软中断实现的，相关代码也在这两个文件中。
enum { HI_SOFTIRQ=0, TIMER_SOFTIRQ, NET_TX_SOFTIRQ, NET_RX_SOFTIRQ, BLOCK_SOFTIRQ, BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ, TASKLET_SOFTIRQ, SCHED_SOFTIRQ, HRTIMER_SOFTIRQ, RCU_SOFTIRQ, /* Preferable RCU should always be the last softirq */ NR_SOFTIRQS }; #define SOFTIRQ_STOP_IDLE_MASK (~(1 << RCU_SOFTIRQ)) /* map softirq index to softirq name. update 'softirq_to_name' in * kernel/softirq.c when adding a new softirq. */ extern const char * const softirq_to_name[NR_SOFTIRQS]; /* softirq mask and active fields moved to irq_cpustat_t in * asm/hardirq.h to get better cache usage. KAO */ struct softirq_action { void (*action)(struct softirq_action *); };
说明：之前linux版本，struct softirq_action包含两项action（软中断服务程序）和data（服务程序输入参数），因为其参数为softirq_action，可定义为全局变量而省去data定义。
static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS] __cacheline_aligned_in_smp;
asmlinkage void do_softirq(void); asmlinkage void __do_softirq(void); #ifdef __ARCH_HAS_DO_SOFTIRQ void do_softirq_own_stack(void); #else static inline void do_softirq_own_stack(void) { __do_softirq(); } #endif extern void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *)); extern void softirq_init(void); extern void __raise_softirq_irqoff(unsigned int nr); extern void raise_softirq_irqoff(unsigned int nr); extern void raise_softirq(unsigned int nr);
实现机制
软中断守护程序是软中断机制实现的核心，它的实现过程简单。通过查询软中断的状态来判断是否发生事件，当发生事件就会映射软中断向量表，调用执行注册的action()函数就可以了。从这一点分析可以看出，软中断的服务程序是daemon。在linux中软中断daemon线程函数为do_softirq()。
asmlinkage void do_softirq(void) { __u32 pending; unsigned long flags; if (in_interrupt()) return; local_irq_save(flags); pending = local_softirq_pending(); if (pending) do_softirq_own_stack(); local_irq_restore(flags); }
网络软中断举例：
当网络上有数据时，发生了硬件中断，硬件中断服务程序会接收网络数据，设置中断状态，并将网络数据挂接到链表中，进行中断调度，这一步可以通过net_schedule()函数完成。硬件中断服务程序最后退出并且CPU开始调度软中断，软中断daemon会发现网络软中断发生了事件，其会执行网络中断对应的服务程序，即进入网络协议栈处理程序。
3.2 tasklet
tasklet是利用软中断实现的一种底半部机制，推荐使用tasklet而不是softirq。
tasklet在linux/interrupt.h中定义，属中断上下文，不能访问0-3G空间，不能用copy_to_user()函数。
3.3 workqueue
把工作交给一个内核线程去执行，这个下半部是在进程上下文中执行的，因此，它可以重新调度还有睡眠。
工作队列属进程上下文，其执行晚于中断处理函数和tasklet，可休眠。
区分使用软中断/tasklet还是工作队列比较简单，如果推后的工作不需要睡眠，那么就选择软中断或tasklet，但如果需要一个可以重新调度，可以睡眠，可以获取内存，可以获取信号量，可以执行阻塞式I/O操作时，那么，请选择工作队列吧！
四. 设备树处理
intc: interrupt-controller@00a01000 { compatible = "arm,cortex-a7-gic"; #interrupt-cells = <3>; interrupt-controller; reg = <0x00a01000 0x1000>, <0x00a02000 0x100>; };
#interrupt-cells 描述了 interrupts 属性的 cells 大小,也就是一条信息有几个 cells。每个 cells 都是 32 位整形值,对于 ARM 处理的GIC 来说,一共有 3 个 cells,这三个 cells 的含义如下:
第一个 cells:中断类型,0 表示 SPI 中断,1 表示 PPI 中断。
第二个 cells:中断号,对于 SPI 中断来说中断号的范围为 0~987,对于 PPI 中断来说中断号的范围为 0~15。
第三个 cells:标志,bit[3:0]表示中断触发类型,为 1 的时候表示上升沿触发,为 2 的时候表示下降沿触发,为 4 的时候表示高电平触发,为 8 的时候表示低电平触发。bit[15:8]为 PPI 中断的 CPU 掩码。
对于 gpio 来说，gpio 节点也可以作为中断控制器
// imx6ull.dtsi gpio1: gpio@0209c000 { compatible = "fsl,imx6ul-gpio", "fsl,imx35-gpio"; reg = <0x0209c000 0x4000>; interrupts = <GIC_SPI 66 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>, <GIC_SPI 67 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>; gpio-controller; #gpio-cells = <2>; interrupt-controller; #interrupt-cells = <2>; }; // imx6ull-emmc.dts edt-ft5x06@38 { compatible = "edt,edt-ft5306", "edt,edt-ft5x06"; pinctrl-names = "default"; pinctrl-0 = <&ts_int_pin &ts_reset_pin>; reg = <0x38>; interrupt-parent = <&gpio1>; interrupts = <9 0>; // 设置中断信息，9表示GPIO1_IC09，0表示？？？ reset-gpios = <&gpio5 9 GPIO_ACTIVE_LOW>; irq-gpios = <&gpio1 9 GPIO_ACTIVE_LOW>; status = "okay"; };
1) #interrupt-cells，指定中断源的信息 cells 个数。
2) interrupt-controller，表示当前节点为中断控制器。
3) interrupts，指定中断号，触发方式等。
4) interrupt-parent，指定父中断，也就是中断控制器。
获取中断号
irq_of_parse_and_map 函数从 interupts 属性中提取到对应的中断号：
unsigned int irq_of_parse_and_map(struct device_node *dev, int index);
index：索引号,interrupts 属性可能包含多条中断信息,通过 index 指定要获取的信息。
int gpio_to_irq(unsigned int gpio)
如果是GPIO的话，可通过gpio_to_irq函数获取中断号。gpio：要获取的 GPIO 编号。返回值：GPIO 对应的中断号。
参考：
2. linux中断处理流程
3. 设备驱动开发详解 宋宝华
5. 小任务tasklet应用
6. 中断函数
7. linux中断编程
8. linux网络编程 宋敬彬
